Promieniotwórczość naturalna - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek beta, cząstek alfa, promieniowania gamma. Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.
Promieniotwórczość naturalna (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) Najkrócej i najprościej mówiąc promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Trzy główne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, jądrowe, energii fal sprężystych.
Naturalne źródła promieniowania
Przez całe życie nasze organizmy ludzkie są narażone na systematyczne aczkolwiek niezbyt duże promieniowanie naturalne.
Na naturalne źródła promieniowania składają się:
a) Ziemia, jest naturalnym źródłem promieniowania, które jest związane z występowaniem w skorupie ziemskiej i glebie naturalnych izotopów promieniotwórczych
b) Nieodpowiednie materiały budowlane użyte przy budowie domów, budynków. Takim materiałem jest na przykład granit. Nieodpowiednie jest także dodawanie do tych materiałów popiołów i żużlów hutniczych zawierających zagęszczone ilości radioaktywnego węgla.
c) Radon (gaz szlachetny, Rn) w powietrzu, emitowany z niektórych rodzajów wód na przykład mineralnych.
d) Radon w budynkach, wydzielany z gleby i gromadzący się w niewietrzonych pomieszczeniach. Ze wszystkich źródeł naturalnych daje największą dawkę promieniowania. Dlatego mieszkania bezwzględnie należy wietrzyć.
e) Promieniotwórcze jądra atomów zawartych w organizmie człowieka: 40K, 226Ra, 218Po.
f) Izotop uranu, używany między innymi w reaktorach atomowych.
g) Izotop węgla, który pomaga w określeniu wieku skamieniałości.
h) Izotop kryptonu, który jest wysoce promieniotwórczy i szkodliwy. (dotychczas nie znalazł zastosowania)
Właściwości emitowanych cząsteczek
- Alfa, powstaje w wyniku rozpadu jąder atomowych (zazwyczaj ciężkich). Promieniowanie to polega na emisji jąder helu He, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów; promieniowanie mało przenikliwe.
- Beta, ma słabszą zdolność jonizacji, traci dzięki temu mniej energii, jego przenikliwość jest większa niż alfa. Prędkość elektronów w strumieniu cząstek beta waha się w szerokich granicach, w zależności od rodzaju pierwiastka emitującego to promieniowanie wynosi od 0,3 do 0,99 prędkości światła.
- Gamma to krótkofalowe, elektromagnetyczne promieniowanie; fotony o bardzo dużej przenikliwości i energii.
Szereg promieniotwórczy
Naturalne szeregi promieniotwórcze są to rodziny nuklidów promieniotwórczych kolejno przekształcających się jedne w drugie na drodze sekwencyjnych rozpadów alfa lub beta. Nuklid jest to atom określonego rodzaju, scharakteryzowany jednoznacznie przez liczbę atomową, liczbę masową oraz poziom energetyczny.
Tradycyjnie wyróżnia się cztery szeregi promieniotwórcze, a każdy zapoczątkowywany jest rozpadem innego bardzo długo życiowego izotopu promieniotwórczego:
- szereg promieniotwórczy uranowo-radowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 238U, a kończy na stabilnym 206Pb. Łącznie ma 18 nuklidów.
- szereg promieniotwórczy torowy. Rozpoczyna się od rozpadu alfa 232Th, a kończy na stabilnym 208Pb. Łącznie ma 12 nuklidów
- szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 235U, a kończy na stabilnym 207Pb. Łącznie ma 15 nuklidów.
- szereg promieniotwórczy neptunowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 237Np, a kończy na stabilnym 209Bi. Łącznie ma 13 nuklidów.
Każdy szereg kończy nuklid trwały, w szeregach naturalnych jest to izotop ołowiu (ołów 206, ołów 207, ołów -208), a w szeregu neptunowym jest to bizmut 209. Trzy z nich (szereg uranowy, torowy i aktynowy) występują w środowisku naturalnym, przy czym ze względu na krótszy czas połowicznego rozpadu 235U (713 mln lat) w stosunku do analogicznych czasów dla 238U i 232Th (odpowiednio 4,49 i 13,9 mld lat), nuklidy szeregu aktynowego w porównaniu z nuklidami szeregu uranowego i torowego obecne są tu w ilościach śladowych.
Czwarty szereg promieniotwórczy (neptunowy) występował we wczesnym okresie istnienia Ziemi. Czas połowicznego rozpadu 237Np równy jest 2,2 mln lat. W śladowych ilościach pojawił się jednak ostatnio ponownie na skutek skażeń promieniotwórczych izotopem 241Pu, ponieważ rozpada się on na 241Am, a następnie 237Np, co zapoczątkowuje wspomniany szereg.
W układzie izolowanym, po dostatecznie długim czasie, substancje promieniotwórcze należące do danego szeregu promieniotwórczego osiągają stan równowagi promieniotwórczej (tzw. wiekowej), w środowisku naturalnym stan taki na ogół nie występuje.
Czas połowicznego rozpadu
To czas, w ciągu którego liczba nietrwałych jąder atomowych (promieniotwórczych) pierwiastka, a zatem i aktywność promieniotwórcza, zmniejsza się o połowę. Jest to wielkość wynikająca z prawa rozpadu naturalnego.
Czas połowicznego zaniku charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych (np. temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, stan skupienia itp.). Czas połowicznego zaniku jest pojęciem wykorzystywanym dla każdego rodzaju rozpadu promieniotwórczego.
Proces rozpadu promieniotwórczego
Rozpad promieniotwórczy- zjawisko spontanicznej przemiany jądra atomowego danego izotopu w inne jądro. Podstawową własnością rozpadu promieniotwórczego jest brak wpływu fizykochemicznych czynników zewnętrznych na proces. Ze względu na rodzaj przemiany zachodzącej w jądrze i towarzyszące mu zjawiska wyróżnia się: rozpad alfa, rozpady beta (beta plus lub beta minus), wychwyt elektronu, rozszczepienie jądra atomowego i inne, np. rozpad protonowy, hipotetyczny rozpad podwójny beta itp.
Jądra promieniotwórczych pierwiastków, ulegając rozpadowi, zmieniają swoją liczbę masową i liczbę atomową w zależności od rodzaju emitowanego promieniowania.
Przemiany te podlegają tzw. Regule przesunięć Soddy’ego-Fajansa, która mówi że:
•każdej przemianie alfa towarzyszy zmniejszenie liczby masowej o cztery jednostki i zmniejszenie liczby atomowej o 2;
Alfa: 226 222 4
88 86 2
•każda przemiana beta powoduje podwyższenie liczby atomowej o jeden przy niezmienionej liczbie masowej izotopu.
Beta: 227 227 0
89 90 -1
Proces rozpadu promieniotwórczego zachodzi ze stałą, charakterystyczną dla danego izotopu, prędkością niezależną od czynników zewnętrznych.
Produktem rozpadu promieniotwórczego może być jądro izotopu, również promieniotwórczego, w dalszym ciągu ulegające przemianom aż do powstania izotopu trwałego, którym jest zwykle ołów lub bizmut.
Polon i rad
Badania Marii i Piotra Curie doprowadziły do wyodrębnienia ze związków uranu dwu nowych, nieznanych wcześniej pierwiastków, które silnie promieniowały. Nowe pierwiastki zostały nazwane przed odkrywców polonem i radem.
Polon okazał się silnym źródłem promieniowania alfa i neutronów, zaś rad (i jego związki) oprócz promieniowania alfa i gamma emituje też nieustannie ciepło i światło.